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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung, insbesondere zur Betätigung eines hydraulischen Schieberventils eines Automatikgetriebes, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei modernen PKW-Automatikgetrieben sind Kupplungen zum Wechseln der Gänge üblicherweise hydraulisch betätigt. Damit die Wechsel der Gänge, also die Schaltvorgänge, ruckfrei und für den Fahrer nicht bemerkbar ablaufen, ist es notwendig, den hydraulischen Druck an den Kupplungen entsprechend vorgegebener Druckrampen mit höchster Präzision einzustellen. Zur Einstellung dieser Druckrampen wird der erforderliche Druck mit Hilfe von hydraulischen Schieberventilen bereitgestellt. Derartige Schieberventile werden häufig über eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung betätigt. Die Verwendung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungseinrichtung in einem derartigen Automatikgetriebe ist ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungseinrichtung. Wird eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung zum Betätigen eines Schieberventils in einem Automatikgetriebe verwendet, so ist die elektromagnetische Betätigungseinrichtung teilweise oder vollständig in das Getriebeöl des Automatikgetriebes eingetaucht.
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Eine derartige elektromagnetische Betätigungseinrichtung umfasst ein Ankerelement, das durch Bestromen einer Spule axial bewegt wird. Bei Bewegung des Ankerelements muss Getriebeöl verdrängt werden. Dies geschieht üblicherweise durch einen Kanal im oder am Ankerelement. Über den Kanal kann Getriebeöl durch das oder am Ankerelement entlang fließen.
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Aus dem Stand der Technik sind elektromagnetische Betätigungseinrichtungen bekannt, bei denen ein Kanal zur fluidischen Durchströmung mit Getriebeöl sich durch ein Betätigungselement, das in das Ankerelement eingepresst ist, und den Anker hindurch erstreckt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung bereitzustellen, bei der das Betätigungselement kostengünstig und einfach herstellbar ist, wobei die elektromagnetische Betätigungseinrichtung auch dann zuverlässig arbeiten soll, wenn die Betätigungseinrichtung in Fluid eingetaucht ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Wenn die Wirkabschnitte des Ankerelements und des Betätigungselements in Kontakt stehen, kommuniziert ein insgesamt axial verlaufender erster Kanal des Ankerelements fluidisch mit einem in oder an dem Betätigungselement vorhandenen zweiten Kanal. Durch diese Ausbildung der Betätigungseinrichtung ist eine zuverlässige Funktion der Betätigungseinrichtung auch dann gewährleistet, wenn die Betätigungseinrichtung in Fluid eingetaucht ist. Das Ankerelement und das Betätigungselement können dabei aufgrund Ihrer Bauweise als separate Elemente unabhängig voneinander hergestellt und montiert werden. Eine Bewegungskopplung des Ankerelements und des Betätigungselements erfolgt durch den Kontakt ihrer jeweiligen Wirkabschnitte. Das Betätigungselement kann hierdurch kostengünstig als Spritzgussteil hergestellt werden. Das Betätigungselement ist auch separat vom Ankerelement ausgeführt. Dies macht die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung besonders flexibel.
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Besonders bevorzugt ist, wenn der zweite Kanal zumindest abschnittsweise offen in einer Außenfläche, insbesondere in dem ersten Wirkabschnitt des Betätigungselements verläuft und/oder sich wenigstens abschnittsweise in einer orthogonal zu einer Betätigungsachse verlaufenden Ebene erstreckt. Insbesondere der offene Verlauf des zweiten Kanals in dem zweiten Wirkabschnitt erlaubt eine kostengünstige Herstellung des Betätigungselements, da der zweite Kanal bereits beim Formgebungsprozess des Betätigungselements in dieses eingebracht werden kann und eine nachträgliche Bearbeitung des Betätigungselements entfallen kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Betätigungselement im Kunststoffspritzverfahren, vorteilhafterweise unter Verwendung eines hochfesten Kunststoffs, wie z.B. Polyetheretherketon, hergestellt ist.
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Der offen in der Außenfläche des Betätigungselements verlaufende zweite Kanal kann im Spritzgussverfahren im Betätigungselement vorgesehen werden. Im Stand der Technik werden Kanäle häufig durch nachträgliches Einbringen mittels Bohren realisiert, was kosten- und zeitaufwändig ist. Diese Kanäle verlaufen durch das entsprechende Bauteil und nicht offen in seiner Außenfläche.
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Vorteilhaft ist auch, wenn ein erster Fluidraum, der an eine erste Stirnseite des Ankerelements angrenzt, über den ersten insgesamt axial verlaufenden Kanal des Ankerelements und den zweiten, in oder an dem Betätigungselement vorhandenen Kanal, fluidisch mit einem zweiten Fluidraum, der an eine zweite Stirnseite des Ankerelements angrenzt, kommuniziert. Hierdurch wird eine Verdrängung von Fluid bei der Bewegung des Ankerelements und des Betätigungselements zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidraum zuverlässig ermöglicht.
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Vorteilhaft ist auch, wenn der erste Kanal einen Blendenabschnitt aufweist, in dem der erste Kanal einen minimalen Strömungsquerschnitt aufweist, vorzugsweise wobei der Strömungsquerschnitt des ersten Kanals im Blendenabschnitt zwischen 0,25% und 2,25%, vorzugsweise zwischen 0,5% und 1,5%, insbesondere zwischen 0,75% und 1,25%, insbesondere 1 % der Querschnittsfläche des Ankerelements beträgt. Dabei ist mit der Querschnittsfläche des Ankerelements die Fläche gemeint, die bei Bewegung des Ankerelements Fluid verdrängt. Bei einem gestuften Ankerelement erstreckt sich die relevante Querschnittsfläche also in mehreren Ebenen, die orthogonal zur Bewegungsachse des Ankerelements angeordnet sind. Der Blendenabschnitt mit dem minimalen Strömungsquerschnitt des ersten Kanals ist derjenige Abschnitt des Kanals, in dem der Strömungswiderstand aufgrund einer Verengung des Strömungsquerschnitts ein Maximum aufweist. Dies kann auch ein Teil des Kanals sein, in dem der Kanal zweigeteilt ist. Beispielsweise kann ein Teil des Kanals einzeln ausgeführt sein und einen ersten Strömungsquerschnitt aufweisen. Dieser Teil des Kanals kann sich dann in zwei Teilkanäle aufteilen, die zusammengenommen einen kleineren Strömungsquerschnitt als der vorige Teil des Kanals aufweisen und damit stellt dieser zweigeteilte Teil den Blendenabschnitt dar. Durch den Blendenabschnitt wird erreicht, dass das Getriebeöl, welches das Ankerelement durchströmt, beim Durchströmen die Bewegung des Ankerelements gleichzeitig dämpft. Die eben genannten Verhältnisse des Strömungsquerschnitts im Blendenabschnitt zu der Querschnittsfläche des Ankerelements stellen dabei Größenverhältnisse dar, die ein ausreichendes Maß an Dämpfung bei gleichzeitig ausreichend schneller Reaktionszeit des Ankerelements und damit der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung insgesamt darstellen. Getriebeöl, das bei Bewegung des Ankerelements zur anderen Seite des Ankerelements gelangen muss, fließt durch den ersten Kanal im Ankerelement. Durch den Blendenabschnitt wird die Strömung des Getriebeöls lokal gedrosselt. Die dabei entstehenden Kräfte dämpfen die Bewegung des Ankerelements.
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Vorteilhaft ist weiterhin, wenn der Strömungsquerschnitt des ersten Kanals außerhalb des Blendenabschnitts zwischen 2,25 und 6,25%, vorzugsweise zwischen 3% und 5%, insbesondere zwischen 3,5% und 4,5%, insbesondere 4%, der Querschnittsfläche des Ankerelements beträgt. Hierdurch wird die Bewegung des Ankerelements durch die Verdrängung des Getriebeöls nicht eingeschränkt bzw. in Kombination mit dem vorher beschriebenen Blendenabschnitt ausreichend gedämpft.
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Vorteilhaft ist auch, wenn der zweite Kanal einen effektiven Strömungsquerschnitt aufweist, der zwischen 100% und 300%, vorzugsweise zwischen 125% und 250%, insbesondere zwischen 150% und 200% des Strömungsquerschnitts des Ankerelements des ersten Kanals in dem Blendenanschnitt liegt. Hierdurch kann Getriebeöl, das aus dem ersten Kanal im Ankerelement in den zweiten Kanal in oder am Betätigungselement strömt, ungehindert in den zweiten Kanal strömen. Dies hat den Vorteil, dass der Kontakt der beiden Wirkabschnitte am Betätigungselement und am Ankerelement nicht durch dynamischen Druck des Getriebeöls beeinträchtigt wird. Das elektromagnetische Betätigungselement nach dieser Ausführungsform arbeitet besonders zuverlässig und präzise, da das Betätigungselement sehr präzise durch das Ankerelement bewegt wird.
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Vorteilhaft ist auch, wenn die Fläche des ersten Wirkabschnitts des Ankerelements zwischen 12% und 21%, vorzugsweise zwischen 15% und 17,5% der Querschnittsfläche des Ankerelements beträgt. Da das Ankerelement in einem Polkörper geführt ist, führt eine azentrische Belastung des Ankerelements, beispielsweise durch eine ungleichmäßige Kraftverteilung über den Wirkabschnitt, zu einer erhöhten Reibung des Ankerelements am Polkörper. Je kleiner der Wirkabschnitt ist, desto niedriger der Einfluss einer azentrischen Belastung im Wirkabschnitt. Jedoch hat ein zu kleiner Wirkabschnitt den Nachteil, dass die Flächenpressung im Wirkabschnitt zu groß wird und es zu Beschädigungen des Betätigungselements bzw. des Ankerelements kommen kann. Der angegebene Wertebereich stellt ein vorteilhaftes Größenverhältnis für den Wirkabschnitt zur Querschnittsfläche des Ankerelements dar. Durch die entsprechende Dimensionierung kommt es weder zu Beschädigungen von Ankerelement oder Betätigungselement noch wird die Bewegung des Ankerelements durch etwaig auftretende azentrische Belastungen im Wirkabschnitt beeinträchtigt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung weist das Betätigungselement an seinem dem Ankerelement zugewandten Ende eine radiale Erweiterung auf, die einen Anschlag für das Ankerelement bildet und zwischen einer ersten Stirnseite des Ankerelements und dem Polkörper angeordnet ist, so dass sie deren unmittelbaren Kontakt verhindert. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Ankerelement nicht mit dem Polkörper in Kontakt kommt, so dass ein magnetisches Kleben des Ankerelements am Polkörper verhindert wird. Das Ankerelement bleibt dadurch stets reaktionsschnell. Die Ausführung des Anschlags als Teil des Betätigungselements stellt eine kostengünstige und einfache bauliche Maßnahme dar, um den Anschlag zu realisieren.
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Vorteilhaft ist auch, wenn das Betätigungselement in einer Führungsöffnung in dem Polkörper gelagert ist und in der Führungsöffnung ein dritter Kanal zwischen dem Betätigungselement und dem Polkörper gebildet ist, über den der erste Fluidraum, der an die erste Stirnseite des Ankerelements angrenzt, fluidisch mit einem außerhalb des Polkörpers liegenden dritten Fluidraum verbunden ist. Hierdurch kann Getriebeöl durch den dritten Kanal zwischen dem Betätigungselement und dem Polkörper zum dritten Fluidraum abströmen. Die Reaktionsfähigkeit der Betätigungseinrichtung wird hierdurch erhöht, wodurch die Betätigungseinrichtung schneller schalten kann.
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Vorteilhaft ist auch, wenn das Ankerelement einen Ankergrundkörper und ein kraft- und/oder formschlüssig mit dem Ankergrundkörper verbundenes Kontaktelement umfasst, wobei das Kontaktelement den Wirkabschnitt des Ankerelements umfasst. Durch dieses zweiteilige Ankerelement mit dem Ankergrundkörper und dem Kontaktelement kann beim Zusammensetzen des Ankerelements die Dimension des Ankerelements genau eingestellt werden. Beispielsweise kann ein Kontaktelement auf den Ankergrundkörper aufgepresst oder in diesen eingepresst werden. Vorzugsweise wird das Kontaktelement dabei in den ersten Kanal eingepresst. Dadurch, dass der erste Wirkabschnitt des Ankerelements am Kontaktelement ausgebildet ist, kann die die effektive Größe des Ankerelements über die Positionierung des Kontaktelements bezüglich des Ankerelements genau eingestellt werden. Dadurch können Ankerelemente mit höheren Fertigungstoleranzen hergestellt werden, was Kosten spart.
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Von Vorteil ist, wenn der Blendenabschnitt in dem Kontaktelement des Ankerelements angeordnet ist. Dies ist eine besonders kostengünstige Variante der Betätigungseinrichtung, da der erste Kanal im Ankerelement beispielsweise durch eine einfache Bohrung herstellbar ist und der Blendenabschnitt beispielsweise durch Auf- oder Einpressen des Kontaktelements auf oder in den Ankerelementgrundkörper realisiert werden kann.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird. Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung;
- 2 eine Einzeldarstellung des Betätigungselements aus 1;
- 3 eine alternative Ausführungsform des Betätigungselements aus 2;
- 4 eine vergrößerte Einzeldarstellung eines Bereichs um Wirkabschnitte herum einer alternativen Ausführungsform; und
- 5 eine weitere alternative Ausführungsform in einer Darstellung entsprechend 4.
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Eine erfindungsgemäße elektromagnetische Betätigungseinrichtung trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Betätigungseinrichtung 10 umfasst eine Spule 12 sowie einen Polkörper 14. Der Polkörper 14 ist vorliegend weitestgehend rohrartig ausgebildet. In dem Polkörper 14 ist ein Ankerelement 16 mit einem Ankergrundkörper 17 angeordnet. Das Ankerelement 16 ist in dem Polkörper 14 zur Ausführung von Bewegungen entlang einer Bewegungsachse 18 geführt. Das Ankerelement 16 weist eine erste Stirnseite 20 und eine zweite Stirnseite 22 auf, die sich gegenüberliegen.
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Auf der ersten Stirnseite 20 des Ankerelements 16 ist ein erster Wirkabschnitt 24 des Ankerelements 16 angeordnet. In der Darstellung von 1 liegt an dem ersten Wirkabschnitt 24 des Ankerelements 16 ein Betätigungselement 26 an. Das Betätigungselement 26 liegt mit einem an seiner Stirnseite angeordneten zweiten Wirkabschnitt 28 an dem ersten Wirkabschnitt 24 des Ankerelements 16 an.
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Das Betätigungselement 26 ist in einem verengten Bereich des Polkörpers 14, der eine Führungsöffnung 30 bildet, geführt. Die Führungsöffnung 30 ist im vorliegenden Beispiel als Bohrung ausgeführt.
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Zwischen der ersten Stirnseite 20 des Ankerelements 16 und dem Polkörper 14 ist ein erster Fluidraum 32 angeordnet. An die zweite Stirnseite 22 des Ankerelements 16 angrenzend ist ein zweiter Fluidraum 34 angeordnet. Auf der der Führungsöffnung 30 des Polkörpers 14 gegenüberliegenden Seite des ersten Fluidraums 32 ist ein dritter Fluidraum 36 angeordnet.
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In dem Ankerelement 16 ist ein erster Kanal 38 angeordnet. Der erste Kanal 38 weist einen Blendenabschnitt 39 auf. Im Blendenabschnitt 39 ist der Strömungsquerschnitt des ersten Kanals 38 minimal, da der dortige Durchmesser des ersten Kanals 38 entlang dessen Erstreckung am geringsten ist.
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Der erste Kanal 38 steht in der in 1 gezeigten Konfiguration fluidisch mit einem zweiten Kanal 40 in Verbindung. Der zweite Kanal 40 ist an der Oberfläche des Betätigungselements 26 ausgebildet. Genauer gesagt, verläuft der zweite Kanal 40 offen in dem zweiten Wirkabschnitt 28 des Betätigungselements 26 und erstreckt sich durch dieses hindurch, damit ist gemeint, dass er an zwei Stellen des zweiten Wirkabschnitts 28 aus diesem heraus mündet. Der zweite Kanal 40 ist vorliegend, wie insbesondere aus 2 ersichtlich, halbzylinderförmig ausgebildet. Über den ersten Kanal 38 und den zweiten Kanal 40 stehen der erste Fluidraum 32 und der zweite Fluidraum 34 in fluidischer Kommunikation.
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Die Betätigungseinrichtung 10 wird wie nachfolgend beschrieben betrieben. Im Betriebszustand befindet sich die Betätigungseinrichtung 10 teilweise oder komplett in Getriebeöl und nahezu alle Hohlräume sind mit Getriebeöl gefüllt. Über ein Bestromen der Spule 12 wird ein magnetischer Fluß im Eisenkern und somit im Polkörper 14 und im Ankerelement 16 erzeugt, wodurch das Ankerelement 16 entlang der Bewegungsachse 18 in Richtung des Betätigungselements 26 bewegt wird. Da der erste Wirkabschnitt 24 und der zweite Wirkabschnitt 28 in Kontakt stehen, überträgt sich eine Bewegung des Ankerelements 16 auf das Betätigungselement 26 und dieses bewegt sich ebenso entlang der Bewegungsachse 18. Bei der Bewegung des Ankerelements 16 wird Getriebeöl, das sich im ersten Fluidraum 32 befindet, verdrängt. Dieses verdrängte Getriebeöl fließt über den zweiten Kanal 40 in den ersten Kanal 38 und von dort in den zweiten Fluidraum 34. Bewegt sich das Ankerelement 16 in die entgegengesetzte Richtung, so kehrt sich die Strömungsrichtung des Getriebeöls um.
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2 zeigt das Betätigungselement 26 im Detail. Hier ist der offene Verlauf des zweiten Kanals 40 in dem zweiten Wirkabschnitt 26 besonders gut zu erkennen. Das Betätigungselement 26 weist neben dem Schaftabschnitt 42 eine radiale Erweiterung 43 auf. Im zusammengesetzten Zustand der Betätigungseinrichtung 10 ist die radiale Erweiterung 43 an einem dem Ankerelement 16 zugewandten Ende des Betätigungselements 26 ausgebildet. Die radiale Erweiterung bildet einen Anschlag für das Ankerelement 16 und ist zwischen der ersten Stirnseite 20 des Ankerelements 16 und dem Polkörper 14 angeordnet. Bei Bewegung des Ankerelements 16 verhindert die radiale Erweiterung 43, dass das Ankerelement 16 und der Polkörper 14 miteinander in Kontakt kommen. Hierdurch wird verhindert, dass das Ankerelement 16 magnetisch an dem Polkörper 14 „klebt“, mit anderen Worten, es wird ein Restspalt sichergestellt.
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In 3 ist eine alternative Ausführungsform des Betätigungselements 26 gezeigt. Das Betätigungselement 26 aus 3 weist ebenso den zweiten Kanal 40, wie das Betätigungselement 26 aus 2. Während das Betätigungselement 26 aus 2 im Bereich seines Schaftabschnitts 42 jedoch zylindrisch mit einer kegelstumpfförmigen Spitze ausgebildet ist, weist das Betätigungselement 26 aus 3 eine zweiseitige Abflachung 44 am Schaftabschnitt 42 auf.
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Wenn das Betätigungselement 26 der Ausführungsform nach 3 in der Betätigungseinrichtung 10 aus 1 verwendet wird, so wird durch die zweiseitige Abflachung 44 am Schaftabschnitt 42 des Betätigungselements 26 ein dritter Kanal zwischen dem Polkörper 14 und dem Betätigungselement 26 gebildet. Ein Teil dieses dritten Kanals wird auch durch eine Nut 46 am Betätigungselement 26 gebildet. Bei dieser Ausführungsform kann Getriebeöl, das sich im ersten Fluidraum 32 befindet, bei einer Bewegung des Ankerelements 16 zum dritten Fluidraum 36 abströmen. Hierbei fließt das Getriebeöl über den zwischen dem Polkörper 14 und dem Betätigungselement 26 durch die zweiseitige Abflachung 44 am Schaftabschnitt 42 gebildeten dritten Kanal zum dritten Fluidraum 36.
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In 4 ist eine alternative Ausführungsform der Betätigungseinrichtung 10 aus 1 gezeigt, wobei das Ankerelement 16 den Ankergrundkörper 17 sowie ein Kontaktelement 48 umfasst. Das Kontaktelement 48 ist in den ersten Kanal 38, der im Ankerelement 16 angeordnet ist, eingepresst. Das Kontaktelement 48 umfasst den ersten Wirkabschnitt 24 und umfasst den Blendenabschnitt 39. Eine Einschubtiefe 50 des Kontaktelements 48 kann beim Zusammensetzen des Ankerelements 16 variiert werden. Dadurch lässt sich die Erstreckung des Ankerelements 16 entlang der Achse 18 beim Zusammenbau genau einstellen.
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Bei der in 5 gezeigten Ausführungsvariante ist das Kontaktelement 48 auf einen am Ankergrundkörper 17 ausgebildeten Fortsatz 52 aufgepresst. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Blendenabschnitt 39 am Kontaktelement 48 ausgebildet. Bei der Ausführungsform von 5 ist eine Erstreckung eines Aufpressabschnitts 54 variabel einstellbar, so dass auch bei dieser Ausführungsform die Erstreckung des Ankerelements 16 entlang der Achse 18 variabel einstellbar ist.
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Da die magnetische Kraft, die auf das Ankerelement 16 beim Bestromen der Spule 12 ausgeübt wird, entlang der Erstreckung der Achse 18 nicht gleichförmig, sondern positionsabhängig ist, bestimmen die Einpresstiefe 50 bzw. die Aufpresstiefe 54 in Kombination mit der Höhe der radialen Erweiterung 43 am Betätigungselement 26 den Abstand zwischen dem Ankergrundkörper 17 und dem Polkörper 14. Über eine Abstimmung von Einpresstiefe 50 oder Aufpresstiefe 54 im Fertigungsprozess kann somit auf die Genauigkeit des einzustellenden Drucks Einfluss genommen werden. Daher bietet die bei den Ausführungsformen nach 4 und 5 gegebene Möglichkeit der genauen Einstellung der Länge des Ankerelements 16 eine vorteilhafte Erhöhung der Genauigkeit der Betätigungseinrichtung 10.
